专利名称：大功率半导体激光器光束偏振合成装置的制作方法
技术领域：
本发明属于激光器技术领域，主要涉及一种大功率半导体激光器，尤其涉及一种 将两个半导体激光器的激光束进行合成的光束偏振合成装置。
背景技术：
半导体激光器与其它激光相比具有体积小、重量轻、电光转换效率高、工作寿命 长、易于直接电调制等诸多优点，因此被广泛用于工业、军事、通信等领域。其缺点是输出功 率低，从而使其应用也受到一定限制。提高半导体激光器功率的方法是将半导体激光器的 发光单元集成为线阵或面阵列阵器件，但受到散热和近轴有效光要求的限制，发光单元不 可能无限堆积。提高半导体激光功率的另一种方法就是将多个半导体列阵激光器的光束合 成为一路光束，通过一个光学通道发射出去，以提高激光的输出功率。由于半导体激光器是 一种偏振度很高的激光器，因此可通过偏振分光棱镜将两个半导体激光列阵光束合成为一 路光束，在通过光束整形等措施可通过一路光路获得大功率、光斑均勻性更好的激光束。公开号为CN1972046A的中国专利申请公开了一种光束偏振合成装置，其两个半 导体激光器的p-n结相互平行放置，为了用偏振分光棱镜实现两光合成，在一个激光器光 路中，用二分之一波片将该光路的光束偏振方向旋转了 90°，但光路中未设光束整形装置。公开号为CN101369716A的中国专利申请也公开了一种光束偏振合成装置，该装 置采用直角偏振耦合棱镜进行光束合成，在该棱镜的一个直角面上胶合有一个四分之一波 片，一路光束垂直入射棱镜的另一个直角面，通过斜面反射后垂直入射到胶合有四分之一 波片的直角面上，光束在该波片中往返两次，使得该光束的偏振方向旋转90°。由于该斜面 两边介质折射率不同，通过该波片反射回的光束在透射斜面时光束会发生折射，不能很好 地与另一路光束重合。在以上两项专利申请中，都采用了对光波长很敏感的波片，而半导体激光器波长 随温度变化较大，因此在不同温度下，激光的波长不同，因此合成效率也有所变化；而且，采 用波片会增加光路的复杂程度，导致成本增大。另外，由于上述两个合成装置均不能获得光 斑均勻性很好的光斑。因此不适用某些对光功率和光斑均勻性都要求较高的应用需求。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是，针对现有技术存在的问题，提供一种输出功 率大且体积小，便于光学系统集成的大功率半导体激光器光束偏振合成装置。本发明要解决的第二个技术问题是，所提供的大功率半导体激光器光束偏振合成 装置能够作为特定军用场合的激光光源使用，其输出的激光束具有很好的光斑分布均勻 性。为解决上述技术问题，本发明提供的光束偏振合成装置包括第一、第二激光器、偏 振分光镜和光束准直装置，所述第一、第二激光器相同且为功率大于200w的半导体激光 器，第一激光器位于所述光束准直装置的物方焦点上且正对偏振分光镜的第一入射面，第二激光器位于光束准直装置的等效物方焦点上且正对偏振分光镜的第二入射面，第一激光 器和第二激光器的p-n结相互垂直；所述偏振分光镜为立方分光棱镜且45°分光面上镀有 偏振分光膜；所述第一激光器发出的线偏振激光束由所述第一入射面进入所述偏振分光镜 并被透射到所述的光束准直装置，所述第二激光器发出的线偏振激光束由所述第二入射面 进入所述偏振分光镜并被反射到所述的光束准直装置，经所述偏振分光镜合成后的光束由 所述光束准直装置准直成平行光束后出射。本发明还包括两个相同的负柱面镜，第一负柱面镜的底平面胶合在所述偏振分光 镜的第一入射面上，其凹面一侧指向所述第一激光器且柱面的母线方向与第一激光器的快 轴方向一致；第二负柱面镜的底平面胶合在所述偏振分光镜的第二入射面上，其凹面一侧 指向第二激光器且柱面的母线方向与第二激光器的快轴方向一致；所述第一负柱面镜接收 所述第一激光器发出的线偏振光束，在保持该线偏振光束快轴方向发散角不变的前提下将 该线偏振光束的慢轴方向发散角扩束到与所述的快轴方向发散角一致，并将快、慢轴方向 的光束同时送入所述偏振分光棱镜的第一入射面；所述第二负柱面镜接收所述第二激光器 发出的线偏振光束，在保持该线偏振光束快轴方向发散角不变的前提下将该线偏振光束的 慢轴方向发散角扩束到与所述的快轴方向发散角一致，并将快、慢轴方向的光束同时送入 所述偏振分光棱镜的第二入射面。根据本发明，所述的第一、第二激光器的峰值功率为250w，中心波长为905nm，慢 轴方向的发散角为8°，快轴方向的发散角为25° ；所述第一、第二负柱面镜[3、4]的焦距 为-13. Imm0本发明的整体技术效果体现在以下两个方面。(一)本发明将第一、第二激光器的p-n结相互垂直放置从而获得两束偏振方向相 互垂直的线偏振光，实现光束偏振合成，另外可使两个激光器发出的椭圆形光束进行垂直 叠加，实现光强互补。与现有技术相比，本发明没有采用任何波片，因此，结构组成简单，体 积小，便于光学系统集成。(二)本发明还采用了两个相同的负柱面镜，其中，第一负柱面镜胶合在偏振分光 镜的第一入射面，第二负柱面镜胶合在偏振分光镜的第二入射面，两个负柱面镜分别对第 一、第二激光器出射光束的慢轴方向发散角进行扩束，使得激光束的快、慢轴方向发散角基 本相同，进一步提高了合成光束的光斑分布均勻性，从而能够满足特定军用场合对其作为 激光光源提出的战技要求。
图1是本发明光束偏振合成装置的结构组成示意图。图2是两个半导体激光器列阵发光单元的尺寸及快慢轴发散角示意图。图3是两个半导体激光器列阵发光单元分布以及合成叠加后的示意图。图4是偏振分光棱镜和负柱面镜的胶合示意图。图5是光束准直装置的组成示意图。图6是未经负柱面镜扩束的两束光的光斑分布与叠加效果示意图。图7是经负柱面镜扩束后的两束光的光斑分布与叠加效果示意图。
具体实施例方式下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。正如图1所示，本发 明光束偏振合成装置的优选实施例包括两个相同的激光器1和2、两个相同的负柱面 镜3和4、偏振分光棱镜6以及光束准直装置5。两个激光器1和2选用隧道效应型半 导体激光器，主要参数为峰值功率250w，中心波长905nm，慢轴和快轴方向的发散角为 8° X25° (参见图2)，第一、第二激光器1、2的发光列阵芯数均为4条，发光区域为 a(200 ym) Xb (200 μ m)，合成后的总功率为482w。第一激光器正对偏振分光棱镜6的第一 入射面并位于光束准直装置5的物方焦点上，第二激光器2正对偏振分光棱镜6的第二入 射面且位于光束准直装置5的等效物方焦点上；第一、第二激光器1、2的p-n结相互垂直放 置，以保证两个激光器1、2的线偏振方向相互垂直，实现偏振合成，合成后的总功率是两个 激光器功率之和；此外两个激光器1、2的p-n结相互垂直放置，也使得两个激光器1、2的发 光列阵面相互垂直，进而使两个激光器1、2出射的光斑合成后实现垂直交叉叠加，光强互 补。在本优选实施例中，第一激光器1的P-n结为图面的宽度方向，第二激光器2的p-n结 为图面的长度方向(参见图3)。根据图4所示，偏振分光棱镜6为边长c = 9mm的立方棱镜，它是采用两个ZF3直 角棱镜胶合而成，胶合面亦即分光面上镀制有偏振分光膜层，该偏振分光膜层对来自第一 入射面的线偏振光具有高透过率，而对于来自第二入射面的线偏振光具有高反射率。在本 优选实施例中，偏振分光棱镜6对第一激光器1出射的线偏振光进行透射且透射率为97 %， 对第二激光器2出射的线偏振光进行反射且反射率为96%。两个负柱面镜3、4的焦距 为-13. 1mm，底平面为9mmX9mm，且光束入射面和出射面上均镀有透过率为99. 5%的增透 膜。第一负柱面镜3的底平面胶合在偏振分光棱镜6的第一入射面上，凹面一侧指向第一 激光器1且柱面的母线方向与第一激光器1的快轴方向一致；第二负柱面镜4的底平面粘 接在偏振分光棱镜6的第二入射面上，凹面一侧指向第二激光器2且柱面的母线方向与第 一激光器2的快轴方向一致。根据图5所示，光束准直装置5由一个负透镜和一个正透镜构成的准直镜组，其组 合后的有效通光孔径为d为10mm，焦距f为18. 54mm。再看图1，第一激光器1发出的线偏振光束通过第一负柱面镜3后其慢轴方向的8° 发散角光束扩束至25°，快轴方向发散角保持不变，扩束后的光束经偏振分光棱镜6透射到光 束准直装置5 ；第二激光器2发出的线偏振光束通过第二负柱面镜4后其慢轴方向的8°发散 角光束扩束至25°，快轴方向发散角保持不变，扩束后的光束经偏振分光棱镜6反射到光束准 直装置5，由此将两束光合成为一束光；光束准直装置5将合成光束准直为平行光束发射出去。本发明所述的大功率半导体激光器光束偏振合成装置的目的不仅是提供一个大 功率半导体激光光源，而且还要使该光源具有很好的光斑均勻性。在本发明中，虽然，通过 采取将两个激光器1、2的p-n结相互垂直放置的措施，使两个激光器1、2出射的光斑分布 得到一定改善，即第一、第二激光器1、2发射的光束经过准直镜组准直后为两个正交的椭 圆形光斑(参见图6)，但仍不能满足对均勻性要求很高的应用场合。为此，通过加入两个负 柱面镜3、4的技术措施，使得通过光束准直装置5的两个椭圆形光斑的短轴得以扩展，每个 激光光斑近似于圆形分布(参见图7)，即两束激光均充满光束准直装置5的通光孔径，从而 获得光斑空间分布均勻性好的光束。
权利要求
一种大功率半导体激光器光束偏振合成装置，包括第一、第二激光器[1、2]、偏振分光镜[6]和光束准直装置[5]，所述第一、第二激光器[1、2]相同且为功率大于200w的半导体激光器，第一激光器[1]位于所述光束准直装置[5]的物方焦点上且正对偏振分光镜[6]的第一入射面，第二激光器[2]位于光束准直装置[5]的等效物方焦点上且正对偏振分光镜[6]的第二入射面；所述偏振分光镜[6]为立方分光棱镜且45°分光面上镀有偏振分光膜；其特征在于所述第一激光器[1]和第二激光器[2]的p n结相互垂直；所述第一激光器[1]发出的线偏振激光束由所述第一入射面进入所述偏振分光镜[6]并被透射到所述的光束准直装置[5]，所述第二激光器[2]发出的线偏振激光束由所述第二入射面进入所述偏振分光镜[6]并被反射到所述的光束准直装置[5]，经所述偏振分光镜[6]合成后的光束由所述光束准直装置[5]准直成平行光束后出射。
2.根据权利要求1所述的大功率半导体激光器光束偏振合成装置，其特征在于还包 括两个相同的负柱面镜[3、4]，第一负柱面镜[3]的底平面胶合在所述偏振分光镜[6]的第 一入射面上，其凹面一侧指向所述第一激光器[1]且柱面的母线方向与第一激光器[1]的 快轴方向一致；第二负柱面镜[4]的底平面胶合在所述偏振分光镜[6]的第二入射面上，其 凹面一侧指向第二激光器[2]且柱面的母线方向与第二激光器[2]的快轴方向一致；所述 第一负柱面镜[3]接收所述第一激光器[1]发出的线偏振光束，在保持该线偏振光束快轴 方向发散角不变的前提下将该线偏振光束的慢轴方向发散角扩束到与所述的快轴方向发 散角一致，并将快、慢轴方向的光束同时送入所述偏振分光棱镜[6]的第一入射面；所述第 二负柱面镜[4]接收所述第二激光器[2]发出的线偏振光束，在保持该线偏振光 束快轴方 向发散角不变的前提下将该线偏振光束的慢轴方向发散角扩束到与所述的快轴方向发散 角一致，并将快、慢轴方向的光束同时送入所述偏振分光棱镜[6]的第二入射面。
3.根据权利要求2所述的大功率半导体激光器光束偏振合成装置，其特征在于所述 的第一、第二激光器[1、2]的峰值功率为250w，中心波长为905nm，慢轴方向的发散角为 8°，快轴方向的发散角为25° ；所述第一、第二负柱面镜[3、4]的焦距为-13. 1mm。
全文摘要
本发明公开了一种大功率半导体激光器光束偏振合成装置，可作为大功率激光光源。该装置包括两个相同的大功率半导体激光器，两个负柱面镜，偏振分光镜以及光束准直装置；两个激光器按照p-n结相互垂直的方向放置；第一、第二激光器发出的线偏振光束分别经第一、第二负柱面镜后，其慢轴方向发散角被扩束到与快轴方向发散角一致，再分别经偏振分光镜的透射和反射后，其合成光束由光束准直装置准直成平行光束后输出。本发明解决了在实现光束合成的同时，又可使光束具有很好的光斑分布均匀性的问题，从而可以作为军用特定领域的激光光源使用，此外，本发明没有采用任何波片，具有结构组成简单，成本低，便于光学系统集成的特点。
文档编号H01S5/06GK101916964SQ20101024816
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月5日 优先权日2010年8月5日
发明者刘芳, 卜英华, 李刚, 杜高社, 杨华梅, 薛常佳, 陈胜石 申请人:中国兵器工业第二〇五研究所